Организация генетического аппарата бактерий Лекция 2 для

Организация генетического аппарата бактерий Лекция № 2 для студентов специальности «Микробиология» Лектор: Давыдова Ольга Константиновна, к. б. н. , доцент

План лекции: • Бактериальный геном: размер и организация. • Механизмы репликации ДНК. Ферменты репликации.

Геном бактерий • Размеры бактериальных геномов могут различаться более чем в 20 раз - от 6*105 у некоторых облигатных паразитов до более чем 107 н. п. у цианобактерий. • Размеры ДНК от 580 тыс н. п. у Micoplasma genitalium до 9500 тыс. н. п. у Myxococcus xantus • E. coli - 4600 тыс. н. п.

Геном бактерий • Количество хромосомной ДНК, приходящейся на один ген у бактерий -1000 п. н. то есть гены упакованы очень плотно

Классификация генов по их функциям • У кишечной палочки не понятны функции около 1/3 из 4289 генов.

Организация генома бактерий • 1956 г. Ф. Жакоб и Е. Вильман предложили кольцевую модель бактериальной хромосомы • ДНК прокариот представлена кольцевой двуцепочечной суперспирализованной молекулой, расположенной в цитоплазме в виде клубка нуклеоида. • Нуклеоид не отделён мембраной, может содержать несколько копий ДНК. • Нуклеоид состоит из ДНК, белков и РНК. ДНК составляет около 80%. Она свёрнута в петли, которых примерно 100.

Организация генома бактерий • Хромосома сильно компактизована. • Центральная область нуклеоида представлена суперспирализованной транскрипционно неактивной ДНК, а на расположенных на периферии деспирализованных петлях происходят интенсивные процессы образования различных типов РНК. • Хромосомы бывают не только кольцевыми, метод пульс -электрофореза позволил идентифицировать линейную бактериальную хромосому у спирохеты из рода боррелий Borrelia burgdorferi и у актиномицетов. • Бактерии могут иметь больше одной хромосомы на клетку. У Agrobacterium tumefaciens 2 плазмиды (200 тпн и 450 тпн) и 2 очень больших молекулы ДНК (2, 1× 106 и 3× 106 пн). Меньшая из них была линейной, большая – кольцевой.

Организация генома бактерий

Механизмы репликации ДНК • 3 альтернативные гипотезы репликации: • консервативная, • полуконсервативная (каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной молекулы и одной вновь синтезированной цепи), • дисперсионная.

Механизмы репликации ДНК • 1957 г. А. Корнберг обнаружил ДНКполимеразу I – фермент, катализирующий процесс полимеризации ДНК из нуклеотидов. Этот фермент способен наращивать ДНК только на 3΄– конце. • 1958 г. Подтверждена гипотеза полуконсервативной репликации (эксперимент Мезельсона-Сталя)

Механизмы репликации ДНК • Реплицирующуюся ДНК бактерии можно наблюдать в электронном микроскопе, у нее вначале образуется "глазок", затем он расширяется, в конце концов вся кольцевая молекула ДНК оказывается реплицированной. • Репликация всегда начинается в определенной области, Ori. С, и идет в основном симметрично по правому и левому полукружию хромосомы к конечной точке, Тег. С. • Такой механизм носит название Ө-механизм.

Расхождение хромосом • Специфические мембранные белки обеспечивают контакт ДНК с внутренней поверхностью цитоплазматической мембраны. Наиболее типичным является формирование подобного контакта в зоне мезосомы, положение которого соответствует точке старта репликации ДНК. • Завершение репликации служит началом для клеточного деления. • Дуплицированные геномы сегрегируют по одному в каждую дочернюю клетку.

Механизмы репликации ДНК • Исследования с радиоактивными метками, проведённые в 1960 -х гг. выявили особую ограниченную область репликации, перемещающуюся вдоль родительской спирали ДНК. Эта активная область из-за своей Yобразной формы была названа репликационной вилкой.

Механизмы репликации ДНК • Методом избирательного введения радиоактивной метки было выявлено, что при репликации бактериальной ДНК в области репликационной вилки образуются и какое-то время существуют фрагменты (от 1000 до 2000 нуклеотидов у прокариот, 100 -200 – у эукариот), названные «фрагментами Оказаки» .

Механизмы репликации ДНК • Репликационная вилка ассиметрична. Из двух дочерних цепей одна строится непрерывной (ведущая или лидирующая цепь), а другая прерывистой (отстающая цепь).

«Репликационная машина»

Механизмы репликации ДНК • • Белки, участвующие в репликации ДНК образуют крупный мультиферментный комплекс, движущийся вдоль ДНК: В области вилки действуют две идентичные ДНК-полимеразы. Спираль ДНК расплетает ДНК-полимеразой, работающей на ведущей цепи, и ДНК-геликазой, движущейся вдоль отстающей. Этому процессу способствуют кооперативно связывающиеся молекулы SSB-белков. На отстающей цепи используются РНК-затравки, синтезируемые ДНКпраймазой. Молекула праймазы непосредственно сцепленная с ДНКгеликазой – расплетающим двойную спираль ферментом, образуют вместе с ней на отстающей цепи структуру, называемую праймосомой. После удаления РНК-затравки, цепь должна быть сшита при помощи репарирующих ферментов, работающих позади репликационной вилки. Расплетание ДНК решается образованием в спирали своего рода «шарнира» , особого класса белков, называемых ДНКтопоизомеразами (типа I и II), которые разрывают цепь и присоединяются к разорванному концу.

Современная модель репликации